鐵路車輪磨耗檢測的現狀及對策

1車輛輪對參數的測量作為重要的鐵路車輛行駛的一個重要部件，該車輛對鐵路的安全運輸起著重要作用。在實際運用過程中,由于存在著線路養護條件較差、輪軌外形及材質匹配不合理、轉向架技術狀態不良和牽引定數過大等諸多原因,導致車輪踏面和輪緣的磨耗加劇,影響鐵路車輛的正常運轉,降低鐵路車輛的利用率。因此,及時準確地掌握車輪的磨耗狀況是非常重要的。概括起來,車輛輪對參數的測量方法基本分為靜態檢測法和動態檢測法。靜態檢測法是指鐵路車輛在檢修時進行的測量。動態檢測則是指鐵路車輛在運行時進行的測量,也就是車輛輪對的在線測量。靜態檢測和動態檢測技術又包括以下幾種方式:(1)便攜式測量方式,主要采用各種傳感器測量輪對的單一或者幾個幾何尺寸。這類測量方法具有操作簡單、方便等優點,但是存在測量參數不全面,測量自動化程度低等問題;(2)接觸式自動測量方式,其測量原理是將輪對支起,并將其旋轉,用多種接觸式傳感器測量各種幾何尺寸。這種測量方法的主要缺點是接觸式測量,極容易造成接觸式傳感器的損壞;(3)非接觸測量方式,主要是采用CCD技術和激光傳感技術。這類測量方法可以實現車輛輪對的在線測量,具有非接觸、檢測速度快等優點。2檢測儀器、裝置的測量車輛輪對靜態檢測技術是指鐵路車輛的輪對在檢修過程中,從機車上卸下,用相應的檢測儀器或裝置進行測量。國內外靜態檢測技術主要采用的方法有以下幾種。2.1輪緣厚度測量基準卡尺法目前多使用LLJ-4型鐵道車輛車輪第四種檢查儀。該檢查儀參考國際標準,將輪緣厚度測量基準選擇在踏面滾動圓向上12mm處,并且采用了游標原理,將踏面和輪緣測量分度值提高到0.1mm,測量精度可達0.1～0.2mm。優點是操作較方便,不足之處就是游標讀數容易受到測量者人為因素的影響。2.2測量尺的測量深該裝置以平行四邊形機構為基礎,可以同時測量車輪踏面直徑、擦傷、磨耗等參數。踏面直徑的測量原理如圖1所示。理想情況下,通過測量系統中的導向機構,將平行四邊形機構中的測量尺的邊緣直接定位于踏面滾動圓(距內側面70mm)上,測量尺與鋼軌之間的距離就是踏面直徑。車輪通過測量機構,激光位移傳感器1記錄得到的理論波形為一梯形波,通過比較測量可以得到踏面任意點的直徑為:式中:3個參數分別為被測車輪踏面任意點的直徑、標準車輪對應點的直徑及被測車輪與標準車輪對應點直徑之差。其差值引起平行四邊形測量機構上測量尺的平動,由激光位移傳感器1直接測量得到。若踏面存在擦傷和剝離情況,則測量尺會產生局部移動,得到相應的圖形。經過分析,得到踏面擦傷深度、擦傷長度以及剝離長度等幾何尺寸。這套輪對自動測量裝置的測量周期約為40s,輪徑誤差不大于0.3mm,輪緣厚度誤差不大于0.4mm,踏面磨耗誤差不大0.2m,檢修過程中,從機車上卸下,用相應的檢測儀器或裝置進行測量。3車輛車輪動態檢測技術目前國內外動態檢測技術主要采用的方法有以下幾種。3.1/h運行誤差分析俄羅斯聯邦鐵路于90年代中期研制成功輪對參數自動化檢測裝置。它采用超聲遙測的非接觸方法,當鐵路車輛以不大于5km/h的速度運行時,遙測傳感器組可測出距車輪各個特征表面的距離,經分析處理后,可得出車輪直徑、輪緣厚度、踏面磨耗和垂直磨耗等參數。測量誤差分別為:輪徑誤差不大于1mm,輪緣厚度誤差不大于0.5mm,踏面磨耗誤差不大于0.3mm。整套測量裝置由傳感器組、地面測量單元、數據傳輸線路、操縱控制單元和外部設備等組成。此檢測裝置結構復雜,安裝調試困難。3.2速度傳感器的安裝日本于20世紀90年代中期研制了“車輪踏面損傷檢測裝置”,如圖2所示。2個相同的加速度傳感器安裝在鋼軌座處,相距半輪周長S/2,測量前后1/4周長的震動。裝置除檢測踏面損傷外,還能測量車輛通過測點的速度。該測量系統的主要問題是因車輪踏面損傷引起的沖擊波形和鋼軌的共振波形重疊,因而加速度峰值無法原原本本地反映出車輪踏面的損傷程度。3.3車輪自動檢測系統在國外,如日本、德國、美國等國都已研制出了一些基于圖像處理方法的自動檢測設備。近年來,我國也已經開展了基于圖像的自動檢測系統的研究,并取得了很大的成果:如高速列車輪對自動檢測系統的原理及實施方案和基于圖像的輪對在線動態檢測應用研究等,下面簡要介紹幾種國內外基于圖像檢測的方法和裝置。(1)日本于20世紀90年代末研制的車輪踏面形狀自動測定裝置。如圖3,測量裝置有細激光束、CCD、車輪檢測器、同步檢測傳感器及遮光板組成。激光是在一個車輪通過的時候照射,用光電傳感器捕捉通過的車輪輪緣,用高速隨機光柵攝影。對所攝影的像,經濾波和細化處理,抽出激光圖像的中心線,算出車輪各部位的尺寸。測量誤差分別為:車輪直徑誤差不大于0.5mm,輪緣高度誤差不大于0.5mm,輪緣厚度誤差不大于0.1mm,輪對內距誤差不大于0.1mm。(2)德國鐵路于80年代末期研制成功輪對自動診斷裝置。這套裝置的工作原理是將縫隙光光帶以規定角度透射到車輪上形成可辨認的輪廓,同時用攝像機在對應角度捕捉反射的光束。車輪圖像是通過布置在每根鋼軌上的4個半導體攝像機拍攝的,經過分析處理后便可計算出輪緣厚度、踏面磨耗和車輪內距等參數。(3)美國Loram公司于90年代中期研制成功了2種形式的車輪自動檢測系統,低速檢測型和高速檢測型。低速檢測型可在列車運行速度不超過8km/h的情況下輸出圖像、圖標和統計數據;高速檢測型可在列車運行速度不超過72km/h的情況下打印出測量數據和報告。(4)國內基于圖像的輪對在線動態檢測應用研究的檢測裝置由CCD和激光線光源為核心的基本檢測單元安裝在機車輪對檢測線上,當機車接近檢測區域時,傳感器啟動現場檢測器件,攝像機捕捉車輪的輪廓圖像,對圖像進行處理計算。測量精度可達0.4mm?；趫D像的自動檢測方法,采樣率高、機構簡單、測量精度高,但是造價相對昂貴。另外,光源相對攝像機位置的微小變化將會增大檢測誤差。4自動檢測技術車輛輪對動態檢測技術可以實現車輛車輪的非接